南海珊瑚硼同位素年代际变化组成特征和气候指示意义研究

The East Asian Winter Monsoon (EAWM) is one of largest circulation system on earth during boreal winter. Its variability can significantly modulate Asian temperature and snow patterns, making it crucial to understand how the region will respond to anthropogenic climate change. The interdecadal variations are one of the dominant features of EAWM. Few direct long-term records, especially on interdecadal scale, limit our understanding of long-term natural variability for predicting future EAWM migration. We propose to perform the first in-depth study on the history of the inter-decadal variation of EASW over the past few centuries by analyzing geochemical records from scleractinian corals for two warm periods: the current warm period and the Medieval Warm Period. High resolution sampling of the cores will provide material for the examination of δ11 B and the strontium to calcium ratio (Sr/Ca) of the skeleton through time to reconstruct winter monsoon intensity. These proxies allow for a detailed reconstruction of the paleo-oceanography of the region and give a better understanding of the behavior of the EAWM through time. This study will significantly improve our understanding of the connections between larger scale climate changes and the EAWM, hopefully allowing for better prediction intedecadal patterns of EAWM.

东亚冬季风是北半球冬季最活跃的环流系统，存在显著的年际年代际变化特征，同我国气候环境密切相关。但年际年代际分辨率的冬季风记录极为缺乏，古今冬季风研究并未打通，制约了对冬季风演化机制的认识。南海北部是冬季风敏感海区，拟以高精度测定和重建南海珊瑚硼同位素(δ11B-pH冬季风影响的化学指标)年代际组成变化特征为主线，结合其它相关地球化学指标分析(Sr/Ca-SST冬季风影响的物理指标)，多指标、多记录的研究从珊瑚中提取冬季风年代际变化信息，从过去千年两个典型偏暖时期-中世纪暖期和现代暖期的古今对比为切入点，揭示冬季风在两个暖期的变化幅度、周期构成、年代际变率的特征及其异同，和可能的驱动机制。研究成果是了解当今全球气候变化过程急需的关键信息，对评估和认识自然过程和人类活动各自对我国气候的影响有重要研究价值。

重点拓展了珊瑚硼同位素体系在古海洋中的应用，优化了微升华硼同位素富集纯化和MC-ICP-MS分析技术；完成了南海西沙和南沙现代活体大型滨珊瑚样品的百年左右的硼同位素、Sr/Ca比值氧同位素、碳同位素以及珊瑚的生长率数据的分析和测定。完成了南海西沙5根化石珊瑚的采集、U-Th定年；完成了化石珊瑚共计500余年左右的硼同位素、Sr/Ca比值氧同位素、碳同位素以及珊瑚的生长率数据的分析和测定。发现冬季风能够影响珊瑚礁海水pH值和珊瑚内部钙化环境，是控制南海北部珊瑚钙化流pH值变化的主导因素。对于珊瑚礁周围的海水，冬季风通过影响珊瑚礁生态系统的钙化作用、光合作用以及水体交换来控制海水pH值；对珊瑚内部钙化流体，冬季风通过影响温度，从而影响珊瑚呼吸作来调控钙化流体溶解无机碳含量，最终影响流体pH值。 提出了在南海这个冬季风敏感海区，珊瑚δ11B-pH可以作为冬季风强度变化的潜在新指标。在此基础上，通过6根珊瑚的高精度硼同位素组成重建了来近560年的冬季风记录。重建的冬季风强度整体上在1575年前处于相对低值期，而在1575-1850年小冰期期间，强度最高，而且变化幅度也为最大，1850后冬季风强度持续下降。频谱分析显示冬季风变率具有显著的13.5年和21~24年的变化周期。重要发现是冬季风强度变化同北大西洋海温和热带太平洋维向温度梯度的关系密切。由于高分辨古冬季风记录极为缺乏，对冬季风年际、年代际变化的长期演化的认识极为有限，本项目的后续研究成果将为解决上述科学问题提供了新的手段和认识。本项目共发表资助标注的相关学术论文7篇，其中项目组成员第一/通讯作者发表了包括Nature Communications、GCA、ES&T、JGR和SES的SCI论文5篇(3篇1区论文，4篇Nature index论文)， CSCD 期刊论文1篇。一作/通讯研究成果被Nature Geoscience、Nature Communications、Reviews of Geophysics、Annu. Rev. Earth Planet. Sci.、Geology、EPSL和GCA等主流期刊引用。发表在Nature Communications和ES&T两篇论文分别于2015和2016年被Science杂志选为研究亮点。